¿Por qué el dióxido de carbono no se hunde en el aire si otros gases densos sí lo hacen?

Los gases son todos miscibles . Si inicialmente están separados y adyacentes, no se mezclan instantáneamente, pero una vez mezclados (un proceso que ocurre por difusión molecular y se acelera por agitación macroscópica o convección, al igual que para los líquidos), no se desmezclan espontáneamente.

Durante el tiempo que transcurre antes de que se produzca una mezcla sustancial, los gases se comportan de forma parecida a como se imaginan los líquidos inmiscibles, por ejemplo, el agua que se deposita debajo del aceite. Si un gas pesado se introduce en un medio ambiente en forma pura o algo pura (desde algún tipo de depósito), inicialmente se hundirá y desplazará a los gases más ligeros. Este es un peligro real con el dióxido de carbono introducido repentinamente, pero no con el dióxido de carbono que ha estado en la atmósfera durante mucho tiempo.

En la fase gaseosa mixta, la composición varía con la altura debido a la energía potencial gravitacional de las diferentes moléculas, pero todos los componentes están presentes en todas las alturas y, a escala humana, la variación es pequeña. En equilibrio, la distancia vertical sobre la cual la densidad de un gas dado cambia sustancialmente se denomina altura de escala y es ~8 km para nitrógeno, ~7 km para oxígeno y ~5 km para dióxido de carbono (en condiciones terrestres). Incluso para el hexafluoruro de azufre es ~1,5 km. A medida que desciende, todos los componentes se vuelven gradualmente más densos, los más pesados, los más rápidos.

Además, como se señaló en un comentario, la atmósfera exterior no está en equilibrio sino que tiene mucho movimiento turbulento, por lo que incluso estas variaciones graduales en la composición que podrían verse en condiciones controladas se eliminan en condiciones naturales .

Porque la separación estricta de los gases se produce sólo si inicialmente los tenemos en estado puro. Luego, debido a la diferencia de densidad de los fluidos de gas puro, el más denso se cae (la fuerza de flotación no es lo suficientemente fuerte como para mantenerlo a una altura fija).

Si la columna de gas se aísla y se mantiene a temperatura constante, cada especie de gas individual en ella eventualmente se distribuirá a lo largo de toda la columna, con una densidad numérica (concentración) que disminuirá con la altura.$h$, según la función

No ocurre una separación nítida de la mezcla a escala molecular en fluidos puros. Eventualmente, algunos gases más livianos alcanzarán incluso la mayor profundidad del gas más pesado y en cada altura se establece una proporción de mezcla constante.

El nitrógeno molecular tiene una masa de 28, mientras que el oxígeno tiene una masa de 32, por lo que (*) predice que, en equilibrio, la densidad del oxígeno varía más en el suelo que la densidad del nitrógeno. Entonces es el oxígeno el que tiende a "permanecer más bajo".

[editar] Como se indicó en otras respuestas, los gases en equilibrio se mezclan completamente por difusión. La fuerza impulsora para la segregación o mezcla, que en los líquidos es la diferencia en la interacción entre moléculas iguales y diferentes, está ausente. En un gas, las moléculas solo chocan y no se pegan. Para moléculas con diferente peso en un campo gravitacional, solo habrá un perfil de altura diferente. Esta es también la razón por la cual las moléculas más pesadas que el aire, como las cfk, pueden alcanzar la capa de ozono. Fuera del equilibrio, los gases se pueden segregar. Tal segregación puede mejorarse por gravedad para gases de peso muy diferente.

norte$_2$y O$_2$tienen una masa de 28 y 32 au respectivamente. A temperatura ambiente y en condiciones atmosféricas inestables, esta diferencia es demasiado pequeña para la segregación gravitatoria. Lo mismo es cierto para el CO (28 au). CO$_2$sin embargo, pesa 44 au y puede reemplazar el aire en condiciones de estancamiento, como en minas y pozos. Además de eso, solo conozco un incidente fatal, cuando un lago de cráter supersaturado en Camerún de repente liberó una gran cantidad de CO$_2$. SF$_6$es bastante pesado pesa 140 au por lo que permanece segregado gravitacionalmente por más tiempo. En lugares mal ventilados, el radón radiactivo (222 y 220 au) que sale del hormigón supone un riesgo.

Todas las respuestas hasta ahora parecen haber pasado por alto la razón más obvia: los gases más pesados ​​generalmente no se asientan en el fondo de la atmósfera porque la atmósfera se agita continuamente. Es esa cosa llamada clima.

Incluso dentro de habitaciones cerradas, hay gradientes de temperatura, gente moviéndose, sistemas HVAC diseñados para mantener el aire mezclado. Tal vez si pudieras crear un recinto sin esas cosas, podrías medir un gradiente de concentración, pero dudo que existan muchos en la vida real.

Aunque tales cosas suceden. Cuando un gas más pesado como el CO2 se libera en un punto bajo, lleva algún tiempo mezclarse con el resto de la atmósfera. Véase, por ejemplo, el desastre del lago Nyos: https://en.wikipedia.org/wiki/Lake_Nyos_disaster

$\mathrm{CO}_2$ se hunde en el aire si es adecuadamente puro. En particular, puede tomar un frasco de$\mathrm{CO}_2$y viértelo como un líquido sobre algo ardiendo, como una vela, y puedes ver cómo lo apaga.

Entonces, ¿por qué el ambiente no$\mathrm{CO}_2$todos se hunden? La respuesta está en el bit "adecuadamente puro" anterior. Verás,$\mathrm{CO}_2$, como cualquier gas en una mezcla gas-gas, se difundirá a medida que sus moléculas, chocando debido a su movimiento térmico, logran abrirse camino a través y entre las moléculas de otros gases como el nitrógeno y el oxígeno, que son los constituyentes dominantes de la Tierra. aire. Como resultado, con el tiempo, un$\mathrm{CO}_2$manta que descansa sobre el suelo se expandirá lentamente hacia arriba, mezclándose con otros gases, hasta que finalmente se disuelva en el resto del aire. Además, una vez que la mezcla lo diluye lo suficiente como para que su densidad ya no sea más alta que la de los otros gases, aumentará como se esperaba, concluyendo rápidamente el proceso de mezcla a medida que se forma la turbulencia y lo termina.

Ambiente$\mathrm{CO}_2$, entonces, está en efecto, ya en su estado "máximamente disuelto", por lo que se encuentra en un equilibrio aproximado (factores de módulo, como el incesante bombeo por parte de fábricas y centrales eléctricas artificiales, y otros incendios, pero la importancia de estos depende de el plazo en cuestión). Por lo tanto, no solo sale del aire.

Los gases densos pueden y se hunden, pero dos factores lo impiden en la atmósfera.

El dióxido de carbono y otros gases y vapores densos se hunden. Esta es la causa de muchos accidentes industriales en los que los recipientes se llenan con algún gas inerte (el dióxido de carbono o el vapor de cloruro de metileno han matado a personas que ingresan a recipientes cerrados sin cuidado ni atención, por ejemplo, y los lagos volcánicos que emiten dióxido de carbono repentinamente han causado grandes desastres naturales). Pero esto no sucede en gran medida en la atmósfera abierta.

Hay dos razones por las que la atmósfera está bien mezclada: difusión y turbulencia.

Los gases ideales (y, en circunstancias normales, la idealidad es una buena aproximación para los constituyentes atmosféricos) son totalmente miscibles. Una molécula no sabe lo que hacen otras moléculas y no existe un mecanismo sólido para separarlas. La difusión por sí sola, en última instancia, mezclará completamente los componentes gaseosos en un recipiente. Pero la difusión es lenta, por lo que pueden ocurrir desastres naturales como el lago Nyos y accidentes industriales en recipientes cerrados. En escalas muy grandes, la difusión debería competir con la gravedad para dar un gradiente de concentración, pero esto no se observa en la atmósfera inferior y nunca afectaría a los experimentos a escala humana.

La atmósfera inferior ve otro factor que mezcla los gases más rápido: el clima. La mezcla turbulenta opera mucho más rápido que la difusión y es muy evidente en cualquier día ventoso. La mezcla turbulenta domina la atmósfera inferior hasta el punto de que es un tema importante de conversación humana en algunos países. La atmósfera es como un recipiente muy grande que se agita fuertemente, mezclando completamente sus componentes. Esta fuerza de mezcla es mucho más fuerte que la gravedad.

Si la difusión y la gravedad fueran los únicos factores, veríamos un gradiente de concentración a gran escala con gases más densos que serían menos comunes en la cima de las montañas altas. Pero no vemos ese efecto en la atmósfera inferior porque la turbulencia es mucho más importante. La composición del aire en la cima del Everest es la misma que al nivel del mar (aparte de ser mucho menos denso).

Entonces, la intuición de que los gases densos deberían separarse debido a la gravedad es correcta, pero ese efecto está dominado por la difusión y la turbulencia. A escala planetaria hay cierta separación debido a la gravedad, pero este efecto es pequeño y no se nota ni siquiera en la cima de la montaña más alta. A escala humana, puede vencer ambos efectos con experimentos cuidadosos (como llenar un recipiente con hexafluoruro de azufre). Pero solo en condiciones en las que el aire está quieto y, aun así, la difusión eventualmente mezclará el gas pesado con el aire de la habitación, aunque lentamente.

Algo a lo que parecen apuntar las otras respuestas, pero que no indican explícitamente, es que no existe una separación clara entre "gases que se mezclan" y "gases que no se mezclan". Si un gas es cien veces más denso que el otro, habrá muy poca mezcla. Si uno es un 1% más denso, habrá mucha mezcla. Si pudiéramos variar continuamente la proporción de 1,01 a 100, la cantidad de mezcla variaría continuamente de "mucho" a "muy poco". Y varía exponencialmente, por lo que la cantidad de mezcla para una proporción de 2 es mucho más que el doble de la mezcla para una proporción de 4.

Además, si hacemos un análisis dimensional de la presión a nivel del mar de 101 325 N/m^2, podemos sustituir N = kg m/s^2 y obtener 101 325 kg/(ms^2). Divida por la aceleración gravitatoria y obtenemos un poco más de 10,000 kg/m^2. Divida por la densidad del aire en STP y obtenemos unos 10 km. Multiplique por la fracción de atmósfera que es CO2 y obtenemos 4m. Entonces, en términos generales (hice muchos redondeos y barrí algunas complicaciones debajo de la alfombra), solo hay cuatro metros de dióxido de carbono en la atmósfera. Necesitaría casi la mitad de eso en el suelo para que un adulto de pie de estatura promedio se asfixie.